Le DMS en question
Le DMS et l’hypothèse Gaïa – Valider l’hypothèse CLAW, c’est contribuer à valider l’hypothèse Gaïa
Résumé – enjeu : La question initiale a été : existe-il un mécanisme qui permette au soufre présent dans la mer d’être ramené des océans vers la terre ? si cette hypothèse est démontrée, et si au-delà, on parvient à montrer que les algues qui sont à l’origine de la substance qui permet au soufre d’être transporté produisent cette substance pour améliorer leurs propres conditions de vie, alors on aura apporté un soutien majeur à l’hypothèse Gaïa .
Extrait des arguments de Lenton (voir plus bas) : Pourquoi le DMS peut-il contribuer à valider l’hypothèse Gaïa ?
Tout d’abord, Lenton pensa qu’il était très improbable que cette hypothèse du DMS puisse donner raison à l’hypothèse de J.Lovelock car il serait impossible de montrer que le système a évolué pour devenir ce qu’il est. Pourtant Lenton s’est laissé convaincre par les recherches qui ont été faites sur le sujet : les algues par ce processus, non seulement font du bénéfice aux autres mais aussi à elles-mêmes. Mais même si ils arrivent à le prouver, rien ne permettrait de dire que l’hypothèse est vraie, juste qu’il y a un cas fortuit où cela fonctionne comme le prédit le modèle. Cependant, comme les recherches se précisent, si cette hypothèse est vérifiée, ce serait tellement improbable qu’il n’en faudrait pas beaucoup de telles pour convaincre scientifiques et non-scientifiques que l’hypothèse Gaïa est « vraie ».
Les algues produisent du DMSP pour garder leur équilibre osmotique avec l’eau de mer. Dans la mer, le DMSP réagit et est détruit et forme du DMS. Une fraction de ce DMS, on ne sait pas exactement combien entre dans l’atmosphère. Le reste est consommé par les bactéries ou détruit par les rayons du soleil qui le transforment en diméthylsulfoxide.
Ainsi, si on peut prouver qu’il existe des boucles de rétroactions et que les êtres vivants agissent de façon à maintenir des conditions de vie qui leur sont propices alors on conforte l’hypothèse Gaïa.
J.Lovelock et le voyage sur le Shakelton
1972 Idée de J.Lovelock : voyage sur le Shakelton avec deux autres scientifiques pour travailler sur les quantités de soufre qui disparaissent de la terre. (L’hypothèse Gaïa, p.122)
Pour J.Lovelock, le DMS devait être un moyen pour le soufre de disparaître de l’océan et de retourner vers les terres émergées.
En effet, des scientifiques avaient remarqué que la quantité de soufre balayée par les fleuves vers les mers et les océans était largement supérieure à celle qui aurait pu être extraite de toutes les sources de soufre sur la Terre. E.J.Conway proposa que le sulfure d’hydrogène (H2S) devait être le composant qui véhiculait le soufre de la mer vers la terre par l’atmosphère.
E.J.Conway est chercheur irlandais reconnu qui travaille sur la physiologie des constituants inorganiques des tissus vivants.
James Lovelock et ses collaborateurs ne croyaient pas à cette hypothèse car ce composé est si réactif avec l’eau de mer (avec O2) qu’il n’aurait pas le temps d’atteindre le continent. Ils firent l’hypothèse que le diméthylsulfure (DMS) était le composé recherché car il réagissait beaucoup moins vite avec l’O2 que l’autre composé.
De plus le Pr Frederick Challenger de la Leeds University avait démontré que la méthylation était un procédé très utilisé par les organismes pour transformer des substances indésirables en gaz. Il avait démontré que certaines algues étaient ainsi capables de produire de grandes quantités de de diméthylsulfure.
Résultats de J.Lovelock : Lors du voyage (Shakelton 1971-72) : ce composé a été mesuré et la quantité jugée suffisante pour qu’il soit considéré comme le porteur de soufre recherché.
J.Lovelock et son équipe ont fait des mesures préliminaires du DMS dans l’eau de mer, et de ses émissions par les plantes terrestres, du sol et par les algues marines. Les analyses ont été faites par chromatographie en phase gazeuse.
Nous rappellerons ici que J.Lovelock est à l’origine d’une des techniques de chromatographie en phase gazeuse : le détecteur à capture d’électrons.
Les échantillons ont été prélevés dans des sites sur la côte Sud de l’Angleterre en décembre, janvier et février 1971 et 1972 et pendant le voyage du Shakelton au mois de mars 1972. Tous les échantillons montrent une présence de DMS à hauteur de 1,2 * 10^-11 g ml-1 en moyenne. Les coefficient de distribution du DMS entre la mer et l’air ont été de 0,30 (= 1,2.10^-11 ppb (parties per billion) mais les scientifiques n’ont pas réussi à trouver du DMS dans les échantillons atmosphériques. Les scientifiques ont essayé de “capturer” le DMS par cryogénie. Mais cela n’a pas fonctionné, parce que celui-ci était immédiatement oxydé.
Si les échantillons étaient enfermés dans des tubes avec des échanges gazeux restreints avec l’atmosphère (sealed with glass whool) tous les échantillons produisaient du DMS, si ils étaient complètement hermétiques, alors la production de DMS diminuait et du sulfate d’hydrogène était produit. Le taux d’oxygène de la fiole diminuait alors très fortement, et cela montrait que les conditions anaérobies ne produisaient pas de H2S. En revanche, les concentrations de CO2 augmentaient jusqu’à plusieurs milliers de parties par millions. Il est probable (« Possibly ») que la haute concentration de CO2 supprime la production de DMS et/ou provoque la production de H2S par les microorganismes.
Considérant que la quantité de soufre d’origine biologique nécessaire pour satisfaire l’équilibre du cycle du soufre dans le transfert atmosphérique est de 10^8 tonnes par an ; et que l’on considère que le DMS est le produit qui transporte le soufre majoritairement de la mer vers les terres et que celui-ci a une durée de vie moyenne d’une semaine, il en découle que la concentration à l’équilibre dans l’atmosphère devrait être de 4.10^9 parties par volume. Or, les mesures réalisées correspondent à cette hypothèse. Le DMS pourrait donc être le transporteur du soufre des océans vers les terres émergées.
Si ce rôle est correct alors cela pose des questions concernant les produits de la réaction du DMS dans l’atmosphère car il produit en particulier de l’acide sulfomethanoïque qui a priori a une longue durée de vie dans l’atmosphère en tant qu’aérosol.
Preuve invalidant les résultats de J.Lovelock par P.Liss
Peter Liss montra par la suite, grâce à des calculs, que la quantité n’était pas suffisante pour le rôle que lui attribuaient J.Lovelock et ses collaborateurs.
Le Shackelton ne les avait pas menés vers les eaux les plus riches en cette substance, car ce ne sont pas les eaux profondes mais les côtes qui en sont le plus riches. Polysiphonia Fastigiata est l’algue principale qui peut fournie une énorme quantité de cette substance, suffisante pour justifier la réalité de ce mécanisme. Elles se trouvent sur les côtes.
1987 Robert Charlson – le DMS et le climat – The CLAW hypothesis
Cette hypothèses est nommé d’après le nom de ses auteurs, R. Charlson, J. Lovelock, M. Andreae and S. Warren
Robert Charlson de l’Université de Washington, et ses collègues Stephen Warren, et Meinrat Andreae de la Florida State University et J.Lovelock ont cherché à démontrer que le rôle du DMS ne se limitait pas à sa seule intervention dans le cycle du soufre. Pour cela, il parcourent l’Atlantique pour prouver expliquer le lien entre le plancton et la formation des nuages. Il veut montrer qu’une augmentation de DMS dans l’atmosphère entraîne la formation de plus de nuages. Le DMS et par là-même les algues joueraient un rôle majeur dans la régulation du climat.
Les nuages
La formation d’un nuage commence par le fait que chaque goutte d’eau est formée par la condensation autour d’une particule microscopique “a cloud condensation nucleus” (CCN) : noyau de condensation de nuage. Si il y a une diminution du nombre de CNN alors il y aura des nuages plus gros mais moins nombreux. Sinon le nombre de CNN est plus grand, alors les nuages seront plus petits mais moins nombreux. Les petits forment des nuages plus blancs et reflètent donc plus le rayonnement du soleil et donc cela refroidit la Terre.
Il est possible que la source des CCN soit le diméthylsulfure produit par les algues marines.
Le DMS réagirait dans l’atmosphère sous l’effet du rayonnement solaire et formerait trois types de composés : dioxyde de soufre, les sulfates et l’acide sulfomethanoïque. La vapeur d’eau pourrait alors condenser autour des particules contenant les sulfates et l’acide sulfométhanoïque et former des nuages. L’idée de Charlson était que c’était le procédé par lequel étaient formés la majorité des nuages. Les algues permettraient donc en relargant du DMS de refroidir la planète en formant des nuages plus blancs.
Cependant, rien ne permettait de dire à quel point cela pourrait avoir une influence sur la température globale de la Terre.
Peter Liss et son équipe de l’Université Est Anglia ont fait le lien final entre les émissions de DMS et le cycle des algues.
1985 Expérience : Ils ont mesuré la concentration de DMS à la surface des eaux de la mer du Nord pendant neuf mois dans le cadre du Natural Environment Research Council’s North Sea Community Project.
Cela a été une expérience multidisciplinaire dont le but principal était de développer un modèle de qualité de l’eau dans le sud de la Mer du Nord. Ils ont trouvé que la concentration de DMS dans cette partie de la mer en été était cent fois supérieure à celle en hiver. De telles variations saisonnières rendaient compte des étapes de la croissance des algues.
Cette équipe s’est ensuite attachée à déterminer les facteurs faisant varier la production de DMS par les algues (1993) en même temps qu’une autre équipe dirigée par Andrew Watson cherchait à comprendre comment le DMS est transféré de la mer vers les terres.
Les concentrations en DMS varient également en fonction des régions de l’océan. Généralement, les eaux riches en nutriments des côtes continentales sont plus riches en algues et par implication en DMS que l’océan profond. Mais cela dépend aussi des variétés d’algues. Les coccolithophores produisent cent fois plus de DMS que les diatomées.
Alors que P.Liss se concentrait sur l’importance du DMS en tant que composante du cycle du soufre, d’autres équipes, menées par Charlson, mettaient l’accent sur le fait que le DMS aurait une autre, peut-être plus forte influence sur le climat. Son idée était que les eaux chauffées par les l’augmentation de l’effet de serre pourrait encourager la production d’algues menant à encore plus de DMS et donc à encore plus de nuages. De cette façon, plus de nuages réfléchiraient l’énergie solaire et cela conduirait à diminuer la température globale du système.
En plus, cela est non seulement bon pour la Terre mais aussi pour les algues. Parce que si les océans devenaient trop chauds, alors les eaux chaudes de surface seraient séparées des eaux froides profondes et les algues vivant à la surface seraient empêchées de trouver les nutriments dans les profondeurs. Les algues peuvent aussi profiter des pluies d’azote qui proviennent des nuages qu’elles ont aidé à former.
La théorie de Charlson sur le thermostat global & le DMS
Keith Bigg and Greg Ayers of the Commonwealth Science and Industrial Research Organisation in Australia ont inspiré le travail de Charlson
Keith Bigg and Greg Ayers
Ils ont indirectement mesuré les concentrations en DMS. Ils ont montré qu’une grande partie du DMS n’atteignait pas l’atmosphère mais était redéposée dans les océans par la pluie. Une fois dans l’atmosphère le DMS réagit rapidement avec des radicaux nitrates ou des composés hydroxyles qui sont produits par l’interaction entre la lumière du soleil et la vapeur d’eau, l’ozone et les oxydes d’azote. Si il perd un atome d’hydrogène alors le DMS forme du dioxyde de soufre ou des aérosols de sulfate, si il gagne un groupe hydroxyle alors cela forme d’acide méthane sulfonique (MSA).
Il n’y a pas d’autre moyen d’aussi grande importance de formation de ce composé MSA. Bigg et Ayers l’ont utilisé en tant que marqueur dans l’atmosphère pour mesurer les concentrations en DMS. Leurs mesures à Samoa, en Tasmanie ont montré un très forte relation entre la quantité de particules dans l’atmosphère et la quantité d’ensoleillement. Elles montraient aussi une forte relation entre les quantités de DMS et celle de MSA. Puisqu’il n’y a pas d’activité industrielle dans ses régions, ils en ont déduit que cette variation saisonnière des concentrations était due à la nature variable de la production de DMS. Etant donné que de telles particules sont impliquées dans la formation des gouttelettes des nuages, l’implication de cette trouvaille a été que le DMS influence la formation des nuages.
Derrière cela, on en déduit qu’une augmentation de la température va augmenter la production de DMS.
1991 Michel Legrand
1991 Michel Legrand from the Laboratory of Environmental Glaciology and Geophysics near Grenoble in France and colleagues from Russia and the US ont construit un modèle atmosphérique de la concentration du DMS dans les 160 000 dernières années. Leurs résultats ont suggéré que la concentration des aérosols soufrés dérivés du DMS et du MSA sont plus hauts durant les âges glacières et moins hauts durant les âges interglaciaires et chauds. L’inverse était attendu si les produits dérivés du DMS avaient joué un rôle le changement climatique
Plus de DMS => plus de CNN => plus de petits nuages blancs => plus de rayons solaires renvoyés => refroidissement ; la concentration de DMS devrait donc augmenter pendant les âges interglacières et chauds pour maintenir la température stable, et la faire donc diminuer. Or c’est l’inverse qui a été montré.
Les scientifiques ont mis en place plusieurs hypothèses pour justifier que les résultats ne sont pas en phase avec la théorie.
- L’écologie des océans du Sud pourrait favoriser lors d’une glaciation des espèces d’algues qui produisent plus de DMS.
- Les changements dans la circulation atmosphérique pourraient influencer la quantité de matériel aérosol déposée sur les terres atlantiques
- En plus la majorité des eaux sont glacées pendant un âge glacière ce qui augmente la salinité des océans, donc peut-être que les algues produisent plus de DMSP en réponse à ce stress.
Le transport par le fer.
John Martin a exploré la possibilité que la croissance des algues soit limitée, non pas par un manque des nutriments conventionnels comme l’azote ou le phosphore mais par le fer. Le fer atteint l’océan par le fait que les particules de fer terrestres sont transportées par le vent, ce qui pourrait expliquer pourquoi les eaux riches en azote et en phosphore ne sont pas plus biologiquement actives. Ils ont montré qu’en ajoutant du fer à des eaux qui proviennent de régions de l’océan riches en nutriments, leur activité biologique est augmentée dix fois.
Implications : cela l’a conduit à dire que l’on pourrait contrer le réchauffement climatique en rajoutant du fer dans les eaux riches en phosphates et en azote mais avec une faible activité biologique ; de cette façon les algues pourraient fixer plus de CO2 de la même façon que le font les arbres sur la Terre.
Mesurer le DMS : C’est extrêmement difficile. La méthode usuelle est de mesurer les concentrations de DMS dans la mer et dans l’air à partir d’un bateau. Mais les océans couvrent une partie largement majoritaire de la surface de la Terre et les taux de DMS fluctuent grandement d’une région à l’autre et d’une saison à l’autre. Les techniques sont très importantes.
Le dioxyde de soufre atmosphérique a plusieurs provenance mais le DMS est la seule source majeure d’acide sulfométhanoïque (MSA). Il est donc utilisé comme marqueur pour mesurer le soufre océanique. Mais le « ratio » entre le DMS et le soufre océanique est relativement variable et donc la technique ne permet pas des résultats très précis.
Une méthode alternative développée par Nicola McArdle de l’Université East Anglia utilise le ratio entre les deux isotopes stables du soufres : le soufre 34 et le soufre 32 pour mesurer la contribution des algues au soufre atmosphérique. Les soufres biogéniques et anthropogéniques ont en effet des signatures différentes. Le soufre dérivé du DMS a une plus haute proportion de soufre 34 que celui brûlé des combustibles fossiles.
A partir de cette méthode, le chercheur a montré que les aérosols atmosphériques sur les côtes irlandaises au printemps et en été provenaient à hauteur de 25% du DMS et à hauteur de 75% de la combustion de combustibles fossiles en ce qui concerne l’acidité liée au soufre (sulphur acidity)
En 1992, Catherine Senior et John Mitchell
En 1992, Catherine Senior et John Mitchell du Hadley Centre for Climate Prediction and Research, a réalisé un modèle de la formation des nuages et de la façon dont les nuages influencent le climat. Leur modèle montre en détail comment les nuages influencent l’évolution du climat et ont un exercent une rétroaction négative (« negative feedback ») qui permet de ralentir le réchauffement climatique. Mais même ce modèle est très grandement simplifié et ne peut pas prendre en compte l’influence des algues matines microscopiques qui pourtant semblent jouer un grand rôle dans ce processus.
1996 Le rôle du fer – Peter Liss
Les concentrations en fer des eaux de surface de certaines régions océaniques peuvent indirectement moduler le climat en contrôlant la productivité du phytoplancton et donc la concentration en CO2 et en DMS échangées avec l’atmosphère. Deux expériences ont été réalisées dans lesquelles on augmentait in situ la concentration en fer à l’échelle des écosystèmes. La première expérience a montré qu’il y avait un réponse biologique limite et qu’il n’y avait pas de grande variation dans la concentration en DMS, bien que la concentration en précurseur doublait. La seconde reproduisait mieux l’enrichissement naturel en fer a donné une plus grande réponse biologique. Cela corrobore l’hypothèse du lien entre le fer, le DMS et le climat.
1998 Bill Hamilton & Tim Lenton , le DMS et la régulation du climat
Sur leur relation : Lenton écrit sur Hamilton : essaie de rassembler les théories réductionnistes et la théorie gaïenne.
Pour Lenton, le DMS est un enjeu majeur pour la validation de l’hypothèse Gaïa.
Tout d’abord, Lenton pensa que cette hypothèse du DMS était très improbable de donner raison à l’hypothèse de J.Lovelock car il serait impossible de montrer que le système a évolué pour devenir ce qu’il est. Mais à l’heure où il écrit son livre, Lenton a beaucoup plus d’espoir à ce sujet. Il va s’agir de montrer que les algues par ce processus, non seulement font du bénéfice aux autres mais aussi à elles-mêmes. Mais même si ils arrivent à le prouver, rien ne permettrait de dire que l’hypothèse est vraie, juste qu’il y a un cas fortuit où cela fonctionne comme le prédit le modèle. Cependant, comme les recherches se précisent, si cette hypothèse est vérifiée, ce serait tellement improbable qu’il n’en faudrait pas beaucoup de telles pour convaincre scientifiques et non-scientifiques que l’hypothèse Gaïa est « vraie ».
C’est pourquoi Lenton rejoignit Bill Hamilton pour tester toutes les hypothèses de ce dernier concernant l’hypothèse Gaïa : il rejoignait ainsi l’hypothèse constructiviste.
Lors des premières recherches de Lenton sur le DMS en 1997, après quelques lettres échangées avec Bill Hamilton qui s’intéressait au DMS comme moyen de réunir la biologie évolutionnariste et la théorie gaïenne, Lenton fit la connaissance de P.Liss
1998 : Bill Hamilton entre en collaboration avec Tim Lenton Désormais, pour eux, les microbes sont transportés dans l’atmosphère par le DMS et sont ainsi répandus sur les terres émergées. Ils participent à l’équilibre climatique car ils sont en partie responsables de la formation des nuages.
La collaboration de Hamilton et Lenton qui ont été présentés par J.Lovelock, visait à construire une recherche pour comprendre pourquoi les algues produisent du DMS. Si ils y parvenaient, ils pourraient faire le saut du local au global et apporter une bouffée de crédibilité à l’hypothèse Gaïa.
Une théorie est de dire que l’acide acrylique est relâchée pour dissuader les prédateurs quand les cellules sont endommagées. Dans cette hypothèse, le DMS ne serait qu’un déchet de cette réaction. Si le modèle marche en laboratoire, il n’explique pas pourquoi certaines algues rejètent constamment de très faibles doses de DMS tout le temps.
Hamilton fait alors l’hypothèse que les algues utilisent le DMS comme transporteur pour se répandre sur les terre, il faut se rappeler que la dispersion est la troisième priorité des êtres vivants après la survie et la reproduction d’après Lenton.
Lorsque l’eau se condense autour des CNN, elle re-largue de l’énergie sous forme de chaleur, cet air se met alors à s’élever, et qui fait s’élever les nuages au fur et à mesure qu’ils se forment. Les algues en bénéficient de deux façons : les cellules déjà dans l’air s’élèvent, et ces mouvements d’air font bouger l’eau et dès lors les algues encore dans l’eau peuvent s’échapper dans des bulles d’air. Il y a donc un bénéfice direct de l’algue à produire du DMS et à le relarguer.
Le problème est le temps que met le DMS a créer cet « ascenseur atmosphérique », parce que du coup, les algues n’en bénéficieraient pas immédiatement, mais pourtant Lenton s’appuie sur une recherche qui a montré une corrélation forte entre la quantité de DMS dans l’océan de surface et la quantité de nuages était très proche (voir Bigg et Ayers), donc Lenton suppose qu’il doit exister un mécanismes chimique plus direct pour passer du DMS à l’aérosol.
Par la suite, P.Liss a découvert que les algues relargaient aussi parfois de l’ammoniac, qui permettrait la formation de particules plus rapidement.
2002 : Watson – le fer
Le fer aurait pu jouer un rôle dans la modulation du CO2 atmosphérique entre les âges glacières et interglaciaires.
Dans l’océan pacifique équatorial, Watson et son équipe ont observé les effets de l’eau enrichie en fer sur le CO2 dissous. A été observée une diminution drastique du CO2 48 heures après le dépôt de fer. Mais les effets ne concernaient qu’une fraction d’environ 10% du CO2. Les variations de la concentration de CO2 ne changeaient en fait pas beaucoup la concentration en nutriments (phosphates et nitrates) alors qu’in vitro, une concentration similaire en fer avaient conduit à l’épuisement total des nutriments.
Les chercheurs reconnaissent que toutes les circonstances nécessaires dans lesquelles la fertilisation en fer de l’océan a pu se faire n’ont peut-être pas été réunies mais en attendant, les résultats ne soutiennent pas l’idée selon laquelle le fer serait responsable des variations de la concentration en CO2 atmosphérique.